Система очистки воздуха от углекислого газа и подпитки его кислородом, разобранная выше, проста и надежна в работе, однако, как показывают расчеты, продолжительное пребывание в космическом пространстве потребует такого огромного количества надперекиси щелочных металлов, что сами полеты только по одной этой причине становятся невозможными.
В настоящее время разработаны другие способы воспроизводства кислорода в космическом корабле, которые сейчас проходят испытания в наземных условиях. Благодаря чему в природе, несмотря на большое количество выделяющегося углекислого газа, атмосфера по составу остается практически неизменной? Этим мы обязаны растениям. Растения поглощают углекислый газ, разлагают его и выделяют при этом кислород.
Такой же процесс можно осуществить и на борту космического корабля, но только не с помощью растений. Углекислый газ на кислород и водород можно разложить химическим путем и, таким образом, создать круговорот кислорода в кабине корабля, подобный тому, который осуществляется в природе. В разрабатываемых системах обеспечения космических кораблей кислородом углекислый газ в специальных реакторах разлагается на кислород, который поступает в атмосферу кабины, и углерод. Последний может выбрасываться как побочный продукт. При использовании в качестве источника кислорода надперекисей щелочных металлов углекислый газ был балластом, который связывался щелочью и накапливался на борту корабля. В разрабатываемых системах углекислый газ будет сырьем для получения кислорода. Существует несколько способов получения кислорода из углекислого газа. Наиболее отработанным считается способ восстановления углекислого газа водородом.
При высоких температурах (300°С) водород способен вступать в реакцию с углекислым газом, отнимая от него кислород (такой процесс называют восстановлением - углекислый газ восстанавливается, а водород окисляется). Углекислый газ, взаимодействуя с водородом, восстанавливается сначала до окиси углерода (угарного газа), а водород окисляется до воды. Свободного кислорода в такой реакции не выделяется. Для того чтобы получить кислород, воду разлагают электрическим током. Вы знаете, что если через воду пропускать электрический ток, то она разлагается на элементы, из которых состоит,- водород и кислород. Водород выделяется на катоде, а кислород - на аноде.
Таким образом, процесс получения кислорода из углекислого газа состоит из двух стадий - сначала водород окисляется углекислым газом до воды, а затем вода разлагается на кислород и водород.
Кислород из электролизной установки поступает в кабину для подпитки атмосферы, а водород используется для восстановления углекислого газа. Для проведения такого процесса требуется главным образом электрическая энергия.
Как извлекается углекислый газ из воздуха? Для этого применяются так называемые молекулярные сита (их называют также цеолитами). Молекулярные сита имеют настолько малые отверстия - поры, что через них свободно проходят молекулы таких газов, как азот, кислород и т. п., а молекулы углекислого газа, большие по размерам, задерживаются. Для улавливания углекислого газа из воздуха последний прогоняется через патроны, набитые цеолитами (цеолиты изготавливают в виде небольших по длине и диаметру трубочек). Углекислый газ остается на фильтре из молекулярных сит, а кислород и азот (составные части воздуха) проходят через фильтр.
Воздух, перед тем как его направить в патроны с цеолитами, обязательно осушают. Влажный воздух нельзя пропускать через цеолиты - влага портит их, они насыщаются водой и теряют способность удерживать углекислый газ. Чтобы осушить воздух, его пропускают через патроны, набитые силикагелем. Силикагель хорошо поглощает влагу из воздуха, но не задерживает углекислый газ.
Мы говорили о том, что атмосфера кабины космического корабля, где находятся члены экипажа, должна непрерывно подпитываться кислородом и очищаться от вредной примеси - углекислого газа. А образуются ли другие примеси, кроме углекислого газа, которые могут накапливаться в кабине космического корабля?
Материалы внутренней отделки кабины имеют в своем составе вещества, которые хотя и медленно, но испаряются и поступают в атмосферу (резина, пластмассы, краски, лаки и т. д.). Так как кабина не проветривается, количество испарений со временем увеличивается и может достигнуть концентрации, опасной для здоровья членов экипажа. Поэтому атмосферу кабины нужно очищать не только от углекислого газа, но и от других вредных примесей.
Каким образом можно удалять из воздуха кабины загрязнения, накапливающиеся в нем со временем? Большую часть газов - вредных примесей - можно улавливать с помощью фильтров-адсорбентов, которые хорошо удерживают их на своей поверхности. Очень хорош для этой цели активированный древесный уголь.
Как правило, вредные газы, накапливающиеся в кабине,- горючие вещества. Нельзя ли для обезвреживания воздуха сжигать эти газы? Оказывается, можно, но только если газы состоят из водорода, кислорода и углерода. Сжигание можно проводить в специальных ячейках, нагреваемых электрическим током, через которые прокачивается воздух кабины.
А если в молекулу вредного газа входят атомы серы? Если сжигать такое вещество, то образуется окись серы, а это тоже вредный газ. Следовательно, сжигание не может служить средством удаления всех вредных примесей.
Вредные примеси можно удалять из воздуха не только путем его нагревания до высоких температур, но и охлаждением до очень низких температур, при которых все примеси из воздуха вымерзают и выпадают либо в виде твердых частиц, либо капель жидкости. Вымораживание, так же как и сжигание, технически осуществимо в космическом корабле. Сочетанием приведенных способов (сжигание, глубокое охлаждение, фильтрация) атмосфера кабины космического корабля может быть очищена от всех возможных вредных примесей.
Итак, как обеспечить членов экипажа кислородом для дыхания в космическом корабле, мы теперь знаем. Без воздуха (кислорода) человек жить не может. Но и без пищи жить нельзя. Какие существуют трудности в обеспечении людей, находящихся в космическом корабле, пищей? Трудности связаны только с необходимостью иметь на борту космического корабля как можно меньший вес всех запасов. Но тем не менее человеку необходимо принимать ежедневно пищу. Ежесуточный пищевой рацион человека должен составлять не менее 2500 ккал. Чем может питаться человек, находясь в космическом корабле? Конечно, теми же продуктами, которые он потребляет на Земле, но только некоторым из них придают предварительно особый «космический» вид, чтобы они меньше весили при одной и той же калорийности.
Есть продукты питания, в состав которых входит большое количество веществ, не имеющих питательной ценности.
Возьмите, к примеру, огурец, сколько в нем воды и сколько веществ, дающих питание организму? Воды в огурце содержится до 9О% и лишь около 10% - твердого вещества. Годится ли такого вида пища для условий космоса? Нет, не годится, слишком много в ней балласта. Почти в каждом продукте питания - мясе, хлебе, рыбе и т. д. содержится значительный процент воды. Для уменьшения веса некоторых продуктов, запасаемых на борту космического корабля, их подвергают обезвоживанию. Благодаря этому они становятся легче и, кроме того, что также важно, такая обезвоженная пища может храниться при комнатной температуре (18 - 20°С) в течение многих месяцев, не портясь и не теряя своих питательных свойств.
Проведенные исследования показали, что обезвоженные продукты не оказывают вредного влияния на организм человека. Обезвоживание позволяет заметно уменьшить вес продуктов, запасаемых на борту космического корабля. Однако этот вес все же остается достаточно большим и растет с увеличением длительности полета.
Каким же образом будет решаться проблема обеспечения членов экипажа пищей при совершении длительных космических полетов? Решение этой проблемы можно найти, если последовать примеру, который нам показывает природа. В природе живые и растительные организмы непрерывно что-то потребляют и что-то в результате своей жизнедеятельности выделяют.
Хорошо известно, что урожай на полях бывает хорош, если почва перед посевом была обильно унавожена. А что такое навоз? Это в основном продукты жизнедеятельности живых организмов, В нем содержатся все элементы, необходимые для роста и созревания растений. Растения в свою очередь идут в пищу живым организмам. Благодаря такому круговороту в природе на Земле не ощущается недостатка в продуктах питания. Сейчас ученые ведут исследования таких путей получения продуктов питания, которые позволили бы быстро и в большом количестве получать вещества, пригодные для употребления их живыми организмами, в том числе и человеком. Если будет решена эта задача, то в космический полет не придется брать большого запаса продуктов питания.
Аналогично обстоит дело и с обеспечением людей в космических полетах водой. Ведь человек очень много потребляет влаги. В среднем за сутки человек выпивает около 2,5 л (2,5 кг) воды, а за год примерно 880 кг. Это лишь один человек, а если экипаж космического корабля состоит из трех человек, то уже больше 2 т. Можно ли взять запас воды в таком количестве на борт корабля? Видимо, нет. Но человек не только потребляет влагу, но и выделяет ее, причем выделяет даже в несколько большем количестве.
При выдыхании и отпотевании человек в сутки выделяет в окружающую среду в среднем около 1,1 л воды в виде пара. Кроме того, организм человека выделяет в виде мочи около 1,5 л влаги в сутки. Можно ли влагу, выделяемую организмом, использовать для получения питьевой воды? Можно, для этого ее только необходимо соответствующим образом обработать, очистить от загрязнений.
Городские жители для питья пользуются водопроводной водой. Но поступающая природная вода в водопровод - вода озер и рек, предварительно проходит длительную и сложную очистку на специальных станциях. В сельской местности питьевую воду берут из колодцев, как правило, находящихся в земле на большой глубине. Воде, поступающей в колодец, пришлось просачиваться через толщу песка, глины и других пород. Слои почвы и служат естественным фильтром, в котором задерживаются все механические загрязнения, попавшие в воду. Почва очищает воду и от целого ряда химических загрязнений. Так в земных условиях, благодаря фильтрующим и очищающим свойствам почвы, а также строительству специальных очистительных сооружений, получают вполне пригодную для питья воду. Все сбросы воды, образующиеся на фабриках и в быту, после очистки, либо естественной (природной), либо искусственной, вновь используются людьми для различных целей. Такой же круговорот воды можно установить и в космическом корабле.
Не все отходы влаги нуждаются в одинаковой очистке. Проще всего превратить в питьевую воду влагу, находящуюся в атмосфере космического корабля в виде пара, который образуется при испарении, отпотевании, а также выдыхается человеком. В этой влаге очень мало загрязнений. Более трудная задача - восстановить воду из мочи человека и довести ее до состояния, пригодного для использования в качестве питьевой. Однако уже разработаны способы очистки такой воды и превращения ее в состояние, пригодное для питья.
В повседневной жизни мы привыкли пользоваться радиоприемниками, телевизорами, электроприборами и т. д., для того чтобы мог работать тот или иной прибор, достаточно включить его в сеть. Мы редко задумываемся над тем, как в сети всегда поддерживается необходимое напряжение и откуда берется электрическая энергия. Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях - тепловых, использующих химическую энергию горючих материалов (каменного угля, торфа, сланцев), гидроэлектростанциях, использующих энергию воды рек, атомных, на которых энергию атома превращают в электрическую энергию. Все электростанции на территории нашей страны объединены в единую энергосистему. Электрическая энергия, вырабатываемая электростанциями, подается в сеть, по которой она поступает к потребителям.
Электростанции - это крупные предприятия с большим числом обслуживающего персонала. Нужна ли электрическая энергия на космическом корабле? Конечно, нужна. Электрическая энергия необходима для питания моторов вентиляторов, насосов и т. д. Откуда же взять энергию для приведения в действие аппаратуры и систем, установленных на борту космического корабля? Очевидно, на борту корабля нужно иметь свою электростанцию, т. е. устройство, которое позволило бы получать электрическую энергию в количестве, достаточном для питания бортовой аппаратуры и систем. И опять следует вспомнить главное требование, которое предъявляется ко всем устройствам, установленным на борту космических кораблей,- иметь как можно меньший вес.
Существуют различные типы установок, пригодные для выработки электроэнергии на борту космического корабля. Но наиболее целесообразно получать электрическую энергию не путем превращения химической энергии топлива, запасаемого на борту, а используя источники энергии, находящиеся в космическом пространстве. Есть ли там источник, пригодный для этого? Оказывается, есть. Что это за источник? Вы, наверное, догадываетесь. Солнце, конечно.
Мы хорошо знаем, что все процессы на Земле обеспечиваются энергией, поступающей от Солнца. И это несмотря на то, что до Земли доходит незначительная часть энергии, излучаемой Солнцем, а большая часть отражается обратно в космическое пространство облаками, постоянно плавающими над Землей. А в космическом пространстве нет облаков и нет даже воздуха. Лучи Солнца там особенно щедро обогревают все, на что они падают. Солнечная энергия в условиях космоса - доступный и практически даровой источник энергии.
Но как превратить лучистую тепловую энергию Солнца в электрическую?
Можно представить такую схему. На наружной стенке космического корабля крепятся больших размеров зеркала специальной формы, которые в любой момент времени должны быть так расположены, чтобы на них падали лучи Солнца. В фокусе зеркала устанавливается змеевик, по которому непрерывно циркулирует жидкость. Нагреваясь солнечным теплом, жидкость будет испаряться. Паром вращают турбину, а турбина вырабатывает электрический ток.
Рассмотренная схема хотя и технически возможна, но практического применения она еще не получила. На космических кораблях широко применяют преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью так называемых солнечных батарей. Солнечные батареи изготавливают в виде больших по площади (в несколько десятков квадратных метров) панелей, которые на Земле и во время подъема корабля в космическое пространство находятся в сложенном состоянии, а после вывода корабля в космос они развертываются. На поверхности таких панелей монтируются ячейки, в которых помещаются тонкие пластинки специального вещества (монокристаллический кремний др).
Вещества, подобные монокристаллическому кремнию, обладают очень полезным свойством: если пластину монокристаллического кремния нагревать так, чтобы одна ее поверхность имела большую температуру, чем противоположная, то между этими поверхностями образуется разность потенциалов, а это и есть причина возникновения электрического тока. Таким образом, с помощью веществ, подобных монокристаллическому кремнию, представляется возможность лучистую энергию Солнца непосредственно превращать в электрическую энергию. От одной ячейки можно получить, конечно, очень малое количество электроэнергии, но если все ячейки солнечной батареи соединить в единую систему, то можно получить количество электрической энергии, достаточное для удовлетворения потребностей космического корабля.
Панель солнечной батареи все время должна быть обращена к Солнцу. Если Солнце не освещает панель, то и никакой энергии солнечная батарея вырабатывать не может. Представьте себе, что космический корабль движется по орбите вокруг земного шара. Может ли панель солнечной батареи постоянно освещаться Солнцем? Очевидно, нет. Ведь время от времени космический корабль будет попадать в тень, создаваемую Землей. А электрическая энергия в космическом корабле требуется непрерывно. Поэтому, как правило, солнечные батареи на космических кораблях применяются только в паре с химическими батареями.
Химические батареи (аккумуляторы) заранее заряжают, т. е. держат определенное время под током. При прохождении тока через аккумулятор в нем электрическая энергия превращается в химическую, которая и накапливается в аккумуляторе,- это так называемый процесс зарядки. В процессе разрядки аккумулятора происходит обратное превращение химической энергии в электрическую. При разрядке аккумулятор не потребляет, а отдает энергию. Процесс разряда и заряда аккумулятора химической батареи можно проводить многократно.
При сочетании химических батарей с солнечными можно непрерывно обеспечивать космический корабль электроэнергией независимо от того, находится ли он в тени или освещается Солнцем. В то время, когда солнечная батарея освещена Солнцем, ее ячейки вырабатывают электрическую энергию, идущую на подзарядку химической батареи. Питание приборов и систем корабля осуществляется не непосредственно от солнечной батареи, а от химической. Если космический корабль попадает в тень Земли или какой-либо другой планеты, его приборы обеспечиваются электроэнергией от химических батарей. После того как корабль выйдет из тени, солнечная батарея снова начинает подзаряжать химическую.
Солнечные батареи используют даровой источник энергии для получения электричества, но это еще не означает, что с их помощью проще и выгоднее всего получать электрическую энергию на космическом корабле. В космическом пространстве у солнечных батарей есть весьма опасный враг. Панели батарей или, вернее, пленки вещества, преобразующего лучистую энергию Солнца в электрическую, портятся от действия метеорной пыли. Метеорные пылинки имеют такой малый размер, что не могут пробить даже тонкую оболочку панели солнечной батареи. Однако пылинки действуют на панель как песок, царапая поверхность ячеек панели и тем самым понижая их коэффициент полезного действия, т. е. ухудшая работоспособность солнечных батарей. При малых сроках полета это не так страшно, так как поверхность панели солнечной батареи не успевает заметно ухудшить свои свойства.
А если полет происходит длительно, да еще и далеко от Земли? При длительных полетах эрозия (разрушение) поверхности панели солнечной батареи может оказаться весьма существенной, и тогда батарея не сможет обеспечить корабль в достаточном количестве электрической энергией. Есть еще одно обстоятельство, ограничивающее применение солнечной батареи. Дело в том, что в зависимости от рода вещества, применяемого для покрытия поверхности панели батареи, она может выдерживать только определенную температуру нагрева. Так, монокристаллический кремний при нагревании выше 150°С портится и теряет способность преобразовывать лучистую энергию Солнца в электрическую энергию. От чего зависит температура нагревания панели солнечной батареи? Конечно, от расстояния до источника тепла, т. е. Солнца. При полете в межпланетном пространстве траектория космического корабля может проходить на различных расстояниях от Солнца, в том числе и таких, при которых температура поверхности солнечной батареи окажется вне допустимого предела. Поэтому, хотя солнечные батареи (в сочетании с батареями химическими) представляют удобный способ получения электрической энергии в космическом корабле, возможности их в известной степени ограничены.
Специалисты в области энергетических установок ведут работы по изысканию других способов получения электрической энергии на космических кораблях.
Сравнительно недавно были проведены работы по исследованию способа превращения химической энергии топлива непосредственно в электрическую. Такое превращение осуществляется в установках, называемых топливными элементами. Что же происходит в таких установках?
Когда горючее вещество соединяется с окислителем (например, водород с кислородом), происходит горение - атомы горючего и окислителя, соединяясь друг с другом, образуют молекулу нового вещества. В этом процессе выделяется тепло, следовательно, химическая энергия топлива превращается во внутреннюю. В топливных элементах горение в том виде, к которому мы привыкли, не имеет места. Атомы горючего вещества и окислителя в топливном элементе реагируют друг с другом электрохимически. Разберем это на примере электрохимического окисления водорода кислородом.
Газообразный кислород подается на анод топливного элемента, водород - на катод. Водород на катоде отдает свой электрон, который, двигаясь по цепи, подходит к аноду, где встречается с атомом кислорода. Атом водорода отдает в цепь один электрон, превращаясь в ион водорода, а атом кислорода принимает два электрона, превращаясь в ион кислорода. Таким образом, в топливном элементе происходит непрерывная отдача электронов атомами водорода на катоде и захват их атомами кислорода на аноде. Электроны, движущиеся во внешней цепи топливного элемента, создают электрический ток, который можно использовать для питания приборов и систем, установленных на борту космического корабля. А что будет с положительно заряженными ионами водорода и отрицательно заряженными ионами кислорода? Соединяясь друг с другом, они образуют молекулу воды.
Таким образом, топливные элементы, в которых в качестве топлива применяют водород и кислород, дают и электрическую энергию, и воду. Вода, выделяющаяся в топливных элементах, может быть использована для удовлетворения нужд членов экипажа. Эту же воду можно использовать также и как средство охлаждения кабины в период спуска корабля на Землю (об этом мы расскажем в главе «Спуск космического корабля на Землю»).
В качестве топлива для питания топливных элементов можно применять не только водород и кислород, но и другие вещества. Например, этиловый спирт и кислород и др. Какими же достоинствами обладают топливные элементы, какие преимущества они имеют по сравнению с другими способами превращения химической энергии топлива в электрическую? Главное их преимущество - высокий коэффициент полезного действия. Топливные элементы позволяют превратить химическую энергию топлива в электрическую почти без потерь. Их коэффициент полезного действии достигает 94 - 96%. Потери составляют всего лишь 4 - 6%. Это примерно в 10 раз меньше потерь, имеющих место в тепловых машинах.
Но не только высокий коэффициент полезного действия определяет достоинство топливных элементов. Вероятность поломки и выхода из строя существует для любой машины, и эта вероятность в большинстве случаев повышается с увеличением числа двигающихся в ней агрегатов и деталей. В топливных элементах нет ни турбины, ни генератора, ни каких-либо других вращающихся или двигающихся частей. Благодаря этому топливные элементы, по-видимому, будут обладать большой надежностью в работе, т. е. низкой вероятностью выхода из строя. При работе топливных элементов не создается шума, не образуются выхлопные газы. Все это делает топливные элементы одним из перспективных способов получения электрической энергии на борту космического корабля.
